一种具有低介电损耗的Ta2O5掺杂铌酸盐基玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用

摘要

本发明涉及一种具有低介电损耗的Ta2O5掺杂铌酸盐基玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用，制备方法包括首先以SrCO3、Na2CO3、Nb2O5、SiO2、Ta2O5为原料，依照6.4Na2CO3‑25.6SrCO3‑32[(1‑x)Nb2O5,xTa2O5]‑36SiO2的摩尔配比进行配料混合，再经过高温熔化后制得高温熔浆；之后将该高温熔浆浇入模具成型，并经过恒温去除残余应力后，切片得到玻璃薄片；最后将该玻璃薄片进行受控析晶，即制得上述铌酸盐基玻璃陶瓷材料。与现有技术相比，本发明制备方法简单，经济实用，所制备的玻璃陶瓷复合材料兼具高介电常数(86)、高击穿强度(1984.75kV/cm)、低介电损耗(0.004)和高理论储能密度(15.01J/cm3)，在储能电容器材料领域具有较好的应用潜力。

说明书

技术领域

本发明属于电介质储能材料技术领域，涉及一种具有低介电损耗的Ta

背景技术

随着当前我国军事工业的持续发展和国防现代化的稳步推进，一些先进高端武器(如激光武器、电磁炮和高功率的雷达等)的电源系统都眼中依赖于脉冲功率技术。另外，全球传统化石能源的过量消耗，储量的急剧减少，能源和环境的问题日益突出，提高传统能源利用效率和开发新型环保可再生能源已成为当前急需解决的世界性难题。为了满足能源领域的应用需求，储能器件向小型化和轻量化发展，为了减小器件体积，就必须提高器件单位体积内的储能密度，为此，高储能密度电介质的研发和应用备受关注。然而目前的能量储存方式主要有燃料电池、蓄电池、电化学超级电容器以及普通电容器等。虽然其相关储能机制已被大家所熟知，但是由于只适用于各自特定的领域而无法被广泛应用。对于燃料电池、锂离子电池而言，其主要通过电化学反应来实现电能和化学能之间的转换，具有很高的能量储存密度，但是受到电化学电压和工作稳定性的限制而局限于它的应用，并且电压和功率密度都很低，很难适用于一些特殊的行业。与传统的电池相比，电容器因具有充放电速度快、功率密度高、利用效率高、抗循环老化好、性能稳定以及适用于高温高压等极端环境等优点，符合新时期能源存储的要求，在电力电子、混合动力汽车、脉冲功率设备等领域发挥着重要作用。电介质储能材料的研发已经成为各国科学家和学者争相追逐的热点方向。为了提高电容器储能密度，人们开发了多种以铁电陶瓷、反铁电陶瓷、高聚物为介质的电容器。然而这些材料的缺点也很明显，限制了其在实际场景中的应用。对于铁电陶瓷来说，其具有较高的介电常数，但是陶瓷材料本身中往往存在气孔，会降低材料的耐击穿场强，同时气孔会使得材料的致密度降低并导致电容器的内耗大，易于在电容器内部产热而损坏电子元器件。对于反铁电材料，由于铁电-反铁电相变的存在，在反复的充放电过程中容易引起微裂纹而损坏电容器。高聚物储能材料，其优点在于高的耐击穿电场，但是高聚物的介电常数极极低，通常小于10，从而导致其储能密度也不高，另外高聚物储能材料的热稳定性差，若电子元件产热过高容易损坏电容器。

玻璃陶瓷又称微晶玻璃，是将设计好组分的原料熔制成母玻璃后，通过可控析晶的方式在玻璃基体内析出微晶陶瓷相，从而实现微晶相与玻璃相均匀共存的复合介电材料。玻璃陶瓷材料的晶粒形貌、尺寸都可通过析晶过程来实现控制，且析出的晶相均匀，尺寸通常在纳米至微米级，并且，由于其在玻璃基体中原位析晶，其致密度十分高，因而玻璃陶瓷材料通常具有较高的耐击穿场强，同时，又能通过控制铁电相的析出实现高介电常数，从而同时获得高介电常数和击穿场强，因而大大提升了储能密度，且其放电速度快，在脉冲功率应用中具有极大的潜力。此外，玻璃陶瓷材料组分可调性十分大、灵活性非常高，玻璃相及陶瓷相组分皆可进行调控，并且由于晶粒尺寸较小，陶瓷相的铁电性不显现，通常玻璃陶瓷材料的P-E曲线呈线性，即充放电效率高。但玻璃陶瓷材料也会面临与聚合物-陶瓷复合介电材料相同的问题，由于玻璃相与陶瓷相的介电常数差异较大而产生不可忽视的界面极化现象。界面极化对储能性能的影响主要在于会导致材料内所储存的能量无法充分释放，对实际应用中的充放电性能有不良的影响。

陈国华等人(Materials Letters,2014,117(feb.15):7-9)通过研究调节SrO-BaO-Nb

中国专利ZL 201610077266.5公开了一种钛酸铌酸复合玻璃陶瓷及其制备方法和应用，钛酸铌酸复合玻璃陶瓷储能材料的化学成分符合化学通式8Al

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有低介电损耗的Ta

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有低介电损耗的Ta

一种具有低介电损耗的Ta

1)以SrCO

2)将步骤1)制备的高温熔浆浇入600-650℃的预热模具中成型，并经过恒温5-6h去除残余应力后，进行切片，得到玻璃薄片；

3)将步骤2)制备的玻璃薄片进行受控析晶，即制备得到Ta

进一步地，步骤1)中，所述的高温熔化过程中，熔化温度为1450-1550℃，熔化时间为1-2h。

作为优选的技术方案，所述的高温熔化过程中，熔化温度为1550℃。

进一步地，步骤3)中，所述的受控析晶过程中，升温速率为1-5℃/min，析晶温度为750-850℃，析晶时间为3-5h。

作为优选的技术方案，所述的析晶温度为750℃、800℃或850℃，析晶时间为5h。

上述Ta

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明基于化学通式6.4Na

2)通过优化析晶温度，有效提高铁电相Sr

3)通过掺杂适量的Ta

4)本发明制备方法简单，无需复杂的后处理步骤，经济实用，并且原料Na

附图说明

图1为实施例1中750℃析晶温度下6.4Na

图2为实施例1中750℃析晶温度下6.4Na

图3为实施例2中800℃析晶温度下6.4Na

图4为实施例2中800℃析晶温度下6.4Na

图5为实施例2中800℃析晶温度下6.4Na

图6为实施例2中800℃析晶温度下6.4Na

图7为实施例3中850℃析晶温度下6.4Na

图8为实施例3中850℃析晶温度下6.4Na

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种具有低介电损耗的Ta

上述具有低介电损耗的Ta

1)以SrCO

2)将步骤1)制备的高温熔浆浇入600-650℃的预热模具中成型，并经过恒温5-6h去除残余应力后，进行切片，得到玻璃薄片；

3)将步骤2)制备的玻璃薄片以1-5℃/min的升温速率加热至750-850℃，并进行受控析晶3-5h，即制备得到Ta

以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。

实施例1：

一种低介电损耗的Ta

1)以纯度大于99wt％的SrCO

2)将高温熔体浇注至方形金属模具中，并在650℃下去应力退火6h，之后经切割获得厚度为1.0-1.5mm的玻璃薄片；

3)取等数量的玻璃薄片放入坩埚中，以3℃/min的升温速度加热至750℃并保温5h，即得到Ta

本实施例所制得的玻璃陶瓷材料的介电性能及耐压性能分别如图1及图2所示。由图1可知，该玻璃陶瓷材料在室温下介电常数最大值为82，损耗最小值为0.003；由图2可知，该玻璃陶瓷材料的最大耐击穿场强为2168.29kV/cm，最大理论储能密度为12.28J/cm

实施例2：

一种低介电损耗的Ta

1)以纯度大于99wt％的SrCO

2)将高温熔体浇注至方形金属模具中，并在650℃下去应力退火6h，之后经切割获得厚度为1.0-1.5mm的玻璃薄片；

3)取等数量的玻璃薄片放入坩埚中，以3℃/min的升温速度加热至800℃并保温5h，即得到Ta

本实施例所制得的玻璃陶瓷材料的介电性能、耐压性能、XRD谱图和SEM图分别如图3、图4、图5及图6所示。由图3可知，该玻璃陶瓷材料在室温下介电常数最大值为87，损耗最小值为0.004；由图4可知，该玻璃陶瓷材料的最大耐击穿场强为1984.75kV/cm，最大理论储能密度为15.01J/cm

由此可见，该材料具有较低的介电损耗以及较高的储能密度，可应用于储能电容器材料。

实施例3：

一种低介电损耗的Ta

1)以纯度大于99wt％的SrCO

2)将高温熔体浇注至方形金属模具中，并在650℃下去应力退火6h，之后经切割获得厚度为1.0-1.5mm的玻璃薄片；

3)取等数量的玻璃薄片放入坩埚中，以3℃/min的升温速度加热至800℃并保温5h，即得到Ta

本实施例所制得的玻璃陶瓷材料的介电性能及耐压性能分别如图7及图8所示。由图7可知，该玻璃陶瓷材料在室温下介电常数最大值为97，损耗最小值为0.008；由图8可知，该玻璃陶瓷材料的最大耐击穿场强为1526.20kV/cm，最大理论储能密度为8.16J/cm

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。